關(guān)于硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

朱文光 朱金強(qiáng)

摘要：隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，齒輪傳動(dòng)形式已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，通過實(shí)踐證明，硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)型式具有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，而且目前的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域需要更多型式的齒輪結(jié)構(gòu)。本文通過對(duì)硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行討論，提出更加合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，同時(shí)對(duì)硬齒面齒輪的材質(zhì)與表面處理等工藝進(jìn)行簡單介紹。

關(guān)鍵詞：硬齒面；齒輪；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；熱處理

1.引言

齒輪傳動(dòng)是一種常見的傳動(dòng)形式，已經(jīng)在機(jī)械工程中得到了廣泛應(yīng)用。作為其中的關(guān)鍵部件，齒輪起到了基礎(chǔ)作用，它的材質(zhì)、機(jī)械性能決定著使用效率與壽命。齒輪傳動(dòng)具有其他傳動(dòng)形式所不具備的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小，適用范圍更廣。目前齒輪在加工制作過程中多采用齒面碳淬火、氮化處理的方式來提高硬度與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而不是在之前使用的調(diào)質(zhì)熱處理方式。隨著機(jī)械工程的應(yīng)力強(qiáng)度不斷加大，硬齒面齒輪的需求量更大。

2.硬齒面齒輪概念

硬齒面齒輪概念相對(duì)于軟齒面而言，具有較好的機(jī)械性能，壽命更長，適用范圍更廣。隨著機(jī)械學(xué)的不斷發(fā)展，硬齒面齒輪的設(shè)計(jì)制造技術(shù)開始在設(shè)計(jì)領(lǐng)域與加工領(lǐng)域更加廣泛，通過一定的熱處理方式與材質(zhì)使用不斷提高齒輪的齒面硬度，不斷降低齒輪的使用尺寸。[1]從經(jīng)濟(jì)角度上來講，硬齒面齒輪的價(jià)格相對(duì)于軟齒面齒輪降低了20%左右，安全系數(shù)保持不變或提高10%，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)型式

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的硬齒輪主要有幾種類型，分別為鍛造齒輪、鑲?cè)M合式齒輪與焊接齒輪三種主要的形式。整體鍛造齒輪發(fā)展較早，但它的應(yīng)用范圍相對(duì)窄一些，尺寸較大，適用在一些機(jī)械性能要求不高的場(chǎng)合，而且它的設(shè)計(jì)成本與制造成本并不低。目前較良好的結(jié)構(gòu)型式為焊接、鑲?cè)M合結(jié)構(gòu)。焊接硬面齒輪主要由三部分組成，齒圈是其中的重要部分，多是采用滲碳合金鋼，而其他的幅板與輪轂分別采用調(diào)質(zhì)鋼與高質(zhì)量的碳素鋼形式。焊接硬齒面齒輪的重量相對(duì)鍛造齒輪更輕，需要的支承結(jié)構(gòu)更簡潔，同時(shí)它的制造成本與設(shè)計(jì)成本都有所降低，得到了更多機(jī)械工程企業(yè)的認(rèn)可。[2]但焊接硬齒面齒輪在大部分生產(chǎn)加工過程中，卻體現(xiàn)出了一些不足，主要在焊接工藝與熱處理方面存在著一些不足，從而導(dǎo)致齒輪在加工后發(fā)生一些變形問題，無法更進(jìn)一步加工處理，從而對(duì)整體的齒輪結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重影響，通過應(yīng)力不均，導(dǎo)致使用壽命大大降低，甚至直接不能使用。

鑲?cè)M合齒輪主要有兩部分組成，外齒圈多采用滲碳合金鋼的材質(zhì)，輪心材料主要由鑄鐵、鑄鋼與碳鋼組成，二者通過盈聯(lián)結(jié)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，結(jié)構(gòu)更加緊湊，成本也更加降低。同時(shí)鑲?cè)M合齒輪也有其特定的缺點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，造成了密度大，重量更大，在運(yùn)輸過程中與安裝過程中需要特定的設(shè)備輔助，從而增加難度，在其他機(jī)械結(jié)構(gòu)承載負(fù)荷不夠的場(chǎng)合中，使用效率大大降低。[3]

針對(duì)以上兩種主種主要的硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)型式，需要對(duì)焊接鑲?cè)κ浇Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更一步優(yōu)化，才能把二者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行集合，同時(shí)避免出現(xiàn)各自體現(xiàn)出的缺點(diǎn)與不足。優(yōu)化后的硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)形式中，外層主要是外齒圈，輪轂體由過盈聯(lián)接、銷與螺栓進(jìn)行組合聯(lián)接，它的制造成本更低，能夠適合更加廣泛的運(yùn)輸方式，安裝非常容易。

4.硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)硬齒面齒輪的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化，大大提高了應(yīng)用性能與使用壽命，能夠在多個(gè)場(chǎng)合進(jìn)行應(yīng)用。某企業(yè)所需要的減速機(jī)中，需要的大齒輪通過此種焊接鑲?cè)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用效果十分良好。由于采用一級(jí)斜齒輪傳動(dòng)形式，在傳動(dòng)功率為3000KW的前提下，大齒輪的總重量設(shè)計(jì)為16噸，減速機(jī)構(gòu)總體重量達(dá)到56噸。在新形式的焊接鑲?cè)Y(jié)構(gòu)硬齒面齒輪結(jié)構(gòu)中，齒輪外徑為3077mm，嚙合直徑為2670mm，鑲?cè)Φ膬?nèi)孔直徑為580mm。[4]

在本案例中，齒輪的外齒圈主要為優(yōu)質(zhì)的合金滲碳鋼，接觸疲勞極限應(yīng)力為1550MPa，它的熱處理工藝為滲碳淬火回火與磨齒工藝，通過處理，齒面的硬度可以達(dá)到HRC60。硬齒面齒輪的輪轂結(jié)構(gòu)體系主要由輪轂與鋼板焊接而成，輪轂材質(zhì)為調(diào)質(zhì)合金鋼，鋼板的材料為炭素鋼，通過二者的焊接形成良好的聯(lián)接效果。齒輪的外齒圈與輪轂體由過盈聯(lián)結(jié)進(jìn)行組合。在安裝時(shí)，對(duì)外齒圈進(jìn)行加熱處理，從而套在輪轂體上，人工對(duì)輪轂體與齒圈的結(jié)合面進(jìn)行打銷處理，安裝螺栓，切掉冗余的螺紋，最后進(jìn)行點(diǎn)焊處理，增加防松性。[5]

5.合理選擇中硬齒面齒輪用鋼的材料及相關(guān)熱處理工藝

要達(dá)到較高的機(jī)械性能，齒輪需要不斷提高硬度與強(qiáng)度，合金元素如Cr、Mo、等都可以形成彌散碳化物，有效增強(qiáng)彌散強(qiáng)化效果，不但會(huì)提高齒輪的強(qiáng)度，同時(shí)也會(huì)增強(qiáng)塑性與韌性。[6]尤其是一些大型零件，為了避免在回火冷卻慢后出現(xiàn)的高溫回火脆性，需要選擇Mo鋼，它的淬透性較好。在調(diào)質(zhì)處理時(shí)，不可一味對(duì)硬度進(jìn)行關(guān)注，還需要對(duì)淬火與回火的溫度參數(shù)進(jìn)行關(guān)注，才能保持強(qiáng)度與韌性雙重效果。淬火的淬硬性決定著齒輪的最終使用綜合性能。在齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，如果需要的彎曲應(yīng)力大，就說明要求硬度高一些，此時(shí)便需要淬透性高的齒輪材料，成本相對(duì)會(huì)高一些，但使用效果可以得到最大保證。[7]

6.結(jié)語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)壓力不斷增大，這就需要在確保加工質(zhì)量的同時(shí)，降低加工成本。采用硬齒面齒輪的優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式，可以有效達(dá)到雙重效果，在確保機(jī)械性能的基礎(chǔ)上不斷降低加工制造成本，更加適合現(xiàn)代企業(yè)的需要。目前焊接鑲?cè)κ接昌X面齒輪已經(jīng)開始應(yīng)用于冶金、礦山等大型項(xiàng)目，并且取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李海翔.漸開弧面齒輪傳動(dòng)的基本理論及試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2012.

[2]李大慶.直齒面齒輪嚙合性能預(yù)控及碟形砂輪磨齒關(guān)鍵技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué)，2013.

[3]呂明，梁國星.硬齒面齒輪加工技術(shù)進(jìn)展及展望[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，03：237-242.

[4]任小中.內(nèi)齒輪成形磨削工藝與裝備技術(shù)研究[D].江蘇大學(xué)，2011.

[5]劉明輝.加工硬齒面齒輪的滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)有限元優(yōu)化[J].煤礦機(jī)械，2004，11：15-17.

[6]肖龍，胡世超，苗志毅.硬齒面齒輪的疲勞失效及解決方法[J].水利電力機(jī)械，2007，10：99-100.

[7]張斌.硬齒面滾剃齒加工振動(dòng)分析及計(jì)算機(jī)仿真[D].蘭州理工大學(xué)，2008.